DE2655650C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer mit einem teilchenförmigen, porösen Packungsmaterial gefüllten Säule zur Flüssigkeitschromatographie.

Chromatographische Säulen für die Flüssigkeitschromatographie finden sowohl in der präparativen als auch vor allem in der analytischen Chemie Verwendung. Dabei werden z. B. zu trennende Substanzen über zwei Phasen verteilt, von denen die eine unbeweglich und die andere beweglich ist. Meist ist die unbewegliche Phase ein oberflächenaktives Pulver wie Kieselgur oder Aluminiumoxid, oder ein inertes, nach der Größe trennendes Material wie Gel-Durchdringungs-Füllstoff. Dieses Pulver ist in der chromatographischen Säule enthalten. Die bewegliche Phase besteht im allgemeinen aus einer Trägerflüssigkeit und einer chemisch zu identifizierenden Probe, die analysiert werden soll und durch die Säule geleitet wird. Ein typischer Anwendungsfall ist die Bestimmung verschiedener chemischer Komponenten in einer unbekannten Probe. Die Bestimmung erfolgt durch Verwendung einer unbeweglichen Phase, welche den Durchgang unterschiedlicher Komponenten der Probe durch die Säule unterschiedlich verzögert, so daß die Komponenten getrennt werden und die Säule zu verschiedenen Zeitpunkten verlassen. Ferner wird dabei der Abfluß der Säule während einer gewissen Zeitspanne kontinuierlich analysiert. Eine Trennung wird erzielt, wenn eine Komponente der Probe eine größere Affinität zu der unbeweglichen Phase als eine andere Komponente hat. Die Trennung kann auch aufgrund unterschiedlicher Molekülgrößen bewirkt werden, beispielsweise mit Hilfe von Gel-Durchdringungs- Verfahren.

Es ist jedoch verhältnismäßig schwierig, eine gleichmäßige Füllung der Säule mit einem chromatographischen Material zu erzielen. Es ist bereits eine Anzahl von Verfahren zur Beseitigung dieser Schwierigkeit vorgeschlagen worden, beispielsweise die Erzeugung von Vibrationen (US-PS 33 00 849). Alle bekannten Verfahren erfordern eine sorgfältige Steuerung, wenn eine Absonderung von Teilchen nach der Größe vermieden werden soll und eine gleichförmige Packung der Säulen erzielt werden soll. Selbst nach dem Füllen der Säule bestehen Schwierigkeiten hinsichtlich der Beibehaltung der Füllung in einem geeigneten Zustand während des Transports und des Betriebs der Säule.

Bei Anwendung der bekannten Verfahren ist es bisher nicht gelungen, sowohl eine einwandfreie Arbeitsweise während einer gewissen Zeitspanne als auch gleiche Trenneigenschaften unterschiedlicher Säulen zu erzielen, insbesondere mit einem Kostenaufwand, der für eine generelle Anwendung vertretbar ist.

Bei den Packungen der Säule sind vier verschiedene Arten von Leervolumen zu unterscheiden, nämlich ein erstes Leervolumen innerhalb eines porösen Teilchens, ein zweites theoretisches Leervolumen zwischen den Teilchen, worunter das unvermeidbare Volumen zu verstehen ist, das sich bei einer perfekten Füllung mit Kügelchen derselben Größe ergeben würde, ein drittes Leervolumen, das der nicht idealen Packung der Teilchen zuzuschreiben ist, die sich in einem gewissen Ausmaß bei jeder Packung aus Teilchen ergibt, sowie ein viertes Leervolumen, das verhältnismäßig große Leerstellen betrifft, die sich aus einer Konsolidierung von Leerstellen entsprechend dem dritten Leervolumen ergeben. Volumina entsprechend dem dritten und vierten Leervolumen verringern das Auslösungsvermögen für die Probe bei einer chromatographischen Analyse.

Durch die Erfindung soll zum einen das Auftreten des vierten Leervolumens vermieden und zum anderen auch das dritte Leervolumen reduziert werden, indem eine gleichförmige und theoretisch ideale Packung angestrebt wird. Im folgenden betrifft die Bezeichnung Leervolumen im allgemeinen Zusammensetzungen von Leervolumina der dritten und vierten Art.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Packung einer chromatographischen Säule durch eine in Längsrichtung der Säule ausgeübte Kraft zu komprimieren, also durch eine Kraftausübung parallel zu der Richtung der Flüssigkeitsströmung. Dadurch können jedoch praktisch keine Verbesserungen erzielt werden, vermutlich weil die Packung dazu tendiert, die Säule zu überbrücken und der Ausbreitung der Kompressionskraft nach unten entlang der Länge der Säule entgegenwirkt (vgl. Godbille und Devaux, "Journal of Chromatographic Science", Oktober 1974).

Ferner ist in der DE-AS 12 56 197 ein Verfahren zum Filtrieren von Flüssigkeiten mittels einer in einem Behälter mit veränderlichem Volumen befindlichen quellbaren, körnigen Filtermasse beschrieben. Der Behälter umfaßt an seiner Innenseite eine elastische Wand, mittels der das Innenvolumen der Vorrichtung unter von außen erfolgender Druckbeaufschlagung verkleinert werden kann, so daß das gesamte Innenvolumen von den körnigen, quellbaren Material nach der Druckbeaufschlagung vollends eingenommen wird. Sinn dieses Verfahrens ist es, bei der während des Filtrierens auftretenden Quellung des körnigen Materials und der damit zusammenhängenden Volumenvergrößerung das Innenvolumen entsprechend der Quellung des körnigen Materials durch Verringerung des auf die elastische Wand wirkenden Drucks auszugleichen. Das bekannte Verfahren betrifft jedoch nicht das Fachgebiet der Chromatographie zu Analysezwecken, welches eine hohe Genauigkeit fordert.

Weiterhin beschreibt die DE-OS 24 09 935 eine Vorrichtung zum Chromatographieren in Form eines Rohres, welches an der einen Seite eine flüssigkeitsdurchlässige Abdeckung aufweist sowie auf der anderen Seite einen längs der Achse des Rohres verschiebbaren Stempel besitzt, der das in Form einer Suspension in die Vorrichtung eingeführte Trägermittel so lange komprimieren soll, bis das eingeführte Trägermedium die Konsistenz eines festen Körpers bildet. Da bei dieser Vorrichtung der aufgebrachte Druck bevorzugt in Längsrichtung der Säule wirkt, ergeben sich auch hier die bereits eingangs erwähnten Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Aufwand herstellbare Säule für die Flüssigkeitschromatographie zu finden, die durch Reduzierung des Hohlraumvolumens (d. h. des erwähnten dritten und vierten Leervolumens) ein besseres Auflösungsvermögen sowie verbesserte Trenneigenschaften ermöglicht als bisher, und zwar ohne Beeinträchtigung dieser Eigenschaften durch Versand und Transport.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.

Säulen der hier betrachteten Art können Transportbeanspruchungen widerstehen, ohne daß durch dabei auftretende Belastungen ihre Wirkungsweise beeinträchtigt wird, und sind so zuverlässig, daß keine Vorversuche zur Feststellung ihrer Betriebseigenschaften erforderlich sind. Die Säulen sind so kostensparend herstellbar, daß sie nach einmaligem Betrieb weggeworfen werden können. Es wird ein besonders gutes Auflösungsvermögen auch nach Durchführung einer Regeneration oder dergleichen gewährleistet. Die Säulen können leicht gefüllt und gewartet werden, beispielsweise durch Zusatz von weiterem Füllmaterial oder durch Austausch des Füllmaterials. Ferner kann das Auftreten zu großer Leervolumina rückgängig gemacht werden, beispielsweise wenn Kügelchen der Füllung zerbrechen. Schließlich haben die Säulen im Vergleich zu bekannten Säulen mit gleichem Durchmesser und gleichen Packungsmedien verbesserte Auflösungseigenschaften, beispielsweise kleinere Zeit-Konzentrationsprofile von Probenkomponenten, die aus der Säule austreten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine radiale Kompression der Füllung einer chromatographischen Säule während deren Verwendung zu Analysezwecken wesentlich die Qualität und die Gleichförmigkeit der Betriebseigenschaften verbessert. Vorteilhaft kann hierbei eine Säule Verwendung finden, bei der die von der beweglichen Wand auf das Verpackungsmaterial in radialer Richtung ausgeübte Kompression ohne eine äußere auf die Wand gerichtete Krafteinwirkung erfolgt, beispielsweise dadurch, daß als Wand eine vorgespannte membranartige Einrichtung verwendet wird, die radial gegen das Packungsmaterial drückt. In anderen Fällen kann die von der Wand auf das Packungsmaterial in radialer Richtung wirkende Kompression jedoch auch durch von außen auf die bewegliche Wand gerichteten Druck wirksam sein.

Im einfachsten Fall kann die Säule mit dem betreffenden Füllmaterial gefüllt werden und unmittelbar vor der Benutzung durch Ausübung eines äußeren Drucks auf die zylindrische Wand der Säule komprimiert werden, die aus einer nachgiebigen dünnen Schicht aus Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen oder dergleichen Membran oder Schicht besteht. Die Wand ist von einer Druckkammer umgeben und wird nach innen gegen die gesamte zylindrische Füllung gedrückt, so daß die Teilchen etwas zusammengedrückt werden und eine erhöhte Gleichförmigkeit in dem gesamten Bett erzielt wird. Der auf die Packung auszuübende Druck überschreitet vorzugsweise nicht die seitliche radiale Ausweichgrenze irgendeines Teils der Packung, so daß praktisch keine Teilchen zerbrochen werden und kein so hoher Druck ausgeübt wird, daß die mechanische Stabilität der Wandung beeinträchtigt wird. Wenn ein zu hoher Druck ausgeübt würde, könnte die Gleichförmigkeit der Querschnittsgröße oder der Form der Packung gestört werden, was im allgemeinen nicht wünschenswert ist und dazu führen kann, daß die gewünschte Konsistenz der Eigenschaften schwerer zu erzielen sind. Sehr gute Ergebnisse können weit unter dieser Grenze erzielt werden. Der Grenzwert kann in einigen Fällen durch das Zerbrechen von Teilchen oder die Gesamtverschiebung von Teilchen bestimmt werden.

Der radiale Druck kann in unterschiedlicher Weise ausgeübt werden. Die Druckausübung kann mechanisch oder mit Hilfe eines gasförmigen oder flüssigen Mediums erfolgen. Der Druck kann im Innenraum der Säule oder in deren Außenraum ausgeübt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt eine Druckausübung von der Außenseite der Säule her, weil dann eine einfachere Konstruktion der Säule möglich ist. Da jedoch einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung die verbesserte Betriebsweise und die Anwendbarkeit auf Säulen mit verhältnismäßig großem Durchmesser bei der präparativen (im Gegensatz zu der rein analytischen) Arbeit sind, ist eine innere radiale Kompression in gewissen Fällen wünschenswert, um eine optimale Verteilung von Sektoren zu erzielen, die zur radialen Kompression teilchenförmiger Füllmaterialien dienen. Dies dürfte insbesondere bei Säulen mit einem Durchmesser bis zu etwa 30 cm oder gar 300 cm der Fall sein. Bei Verwendung von Druckgas ist die Permeabilität des Wandmaterials für das betreffende Gas zu beachten. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, Überzüge aus Materialien mit geringerer Durchlässigkeit für das betreffende Gas vorzusehen.

Bei den meisten Packungen der interessierenden Art wird die Kraft, die an einer bestimmten Stelle ausgeübt wird, in einem gewissen Abstand davon auf eine verhältnismäßig kleine und nicht mehr wirksame Kraft verringert. Bei der hier beschriebenen Säule liegt jeder Teil der Füllung innerhalb des erwähnten Abstands, der als Fließradius bezeichnet werden kann, befindet sich also in einem solchen Abstand von der Stelle der Kraftausübung der Säule, daß die Verringerung von Leervolumina möglich ist.

Wie bereits erwähnt wurde, liegt der Nachgebepunkt oder die Quetschgrenze bei einer gegebenen Säule unter der radialen Bruchgrenze des betreffenden Füllmaterials. Die Druckgrenze hängt von Faktoren wie den Eigenschaften des teilchenförmigen Füllmaterials und der Art der Packung der Säule ab. Eine Säule, die in einem besonderen Verfahren gefüllt wird, beispielsweise mit Hilfe einer Aufschlämmung, um eine dichtere Packung erzielen zu können, kann oft einem etwas höheren Druck standhalten als eine Säule, welche dieselbe, weniger kompakte Packung enthält. In vielen Fällen besteht aber kein Grund kostspielige Füllverfahren zu verwenden.

Die zufriedenstellende Ausübung eines äußeren Drucks hängt auch von der Deformierbarkeit der Wand ab, also von der Kraft, die erforderlich ist, um die Wand nach innen gegen die Teilchen zu drücken. Bei einer Säule mit einem Innendurchmesser von 57 mm und einer Länge von etwa 30 cm sind die folgenden Druckdifferenzen geeignet:

WandmaterialDifferenz zwischen
Außendruck und Innendruck

Polyäthylen geringer Dichte mit einer Wandstärke von 0,15 mmetwa 2,1 kg/cm² Polytetrafluoräthylen mit einer Wandstärke von 0,76 mmetwa 5,7 kg/cm²

Diese Werte wurden bei Versuchen gemessen, bei denen der innere Betriebsdruck der chromatographischen Säulen zwischen 1,4 und 14 kg/cm² lag.

Durch die Erfindung können Leervolumina in besonders vorteilhafter Weise vermieden werden. Ferner können durch die Erfindung Wand-Kanaleffekte sehr weitgehend verringert werden, wodurch Flüssigkeit bevorzugt durch einen Raum entlang den Zwischenflächen der Säulenwand und der Füllung fließt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn eine dehnbare Wand (beispielsweise aus Polyäthylen oder Polytetrafluoräthylen) verwandt wird. Unbeschadet der Vorteile, die durch Verringerung der Wand-Kanalbildung erzielt werden, ermöglicht die beschriebene radiale Kompression, daß eine Säule wiederholt derart unter Druck gesetzt wird, daß derselbe Zustand im gesamten Volumen der Füllung erzielt wird. Die Folge davon ist, daß eine gemäß der Erfindung verwendete Säule zuverlässiger für eine Anzahl von Vergleichsversuchen ist, als irgendeine bekannte vergleichbare Säule für Flüssigkeitschromatographie. Dieser Effekt ist von übergeordneter Bedeutung, selbst wenn die Säule nur einmal verwandt wird, weil ihre Packungseigenschaften zuverlässiger sind, wenn die Säule in radialer Richtung zusammengedrückt wird. Säulen mit größerem Durchmesser von beispielsweise mehr als 2,5 cm Durchmesser bringen Vorteile hauptsächlich aufgrund der gleichförmigen Packung, die durch die radiale Kompression bewirkt wird. Bei einer gegebenen Teilchengröße war der unerwünschte Effekt der Wand-Kanalbildung bei derartig großen Säulen verhältnismäßig klein in Vergleich zu anderen Unvollkommenheiten der Packung.

Als anwendbare Polymere sind Elastomere und verschiedene Gummisorten verwendbar. Es ist jedoch zu beachten, daß eine chemisch inerte Oberfläche für die Flüssigkeitschromatographie erforderlich ist. Deshalb werden Polyolefine und halogenierte Kohlenwasserstoffpolymere wie Polytetrafluoräthylen vorgezogen. Eine andere vorteilhafte Eigenschaft dehnbarer Polymere ist die bekannte Speichereigenschaft, die viele Kunststoffe wie Polyäthylen und Polytetrafluoräthylen aufweist. Diese Eigenschaft kann im vorliegenden Fall so beschrieben werden, daß die Form "vergessen" wird, die bei einer ersten Druckausübung gegen das Füllmaterial eingenommen wird, und daß eine neue Form eingenommen werden kann, wenn später gegen das Füllmaterial gedrückt und angeformt wird, nachdem dieses verschoben und relativ zu der Wandoberfläche bewegt wurde.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, daß bei einer Flüssigkeitschromatographie für hohe Anforderungen, selbst bei einer Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie, dafür geeignete Säulen in einer Vielfalt von Ausführungsformen hergestellt werden können. Zum Füllen einer Säule sind insbesondere Absetzverfahren unter Ausnutzung der Schwerkraft bekannt, die am besten für längliche zylindrische Röhren geeignet sind. Die Erfindung ist jedoch auf an sich beliebige Formgebungen anwendbar, beispielsweise auf beliebige oder wendelförmige und U-förmige Röhren. Es ist jedoch zu beachten, daß bei vielen derartigen Formgebungen die Erfindung nur den Einfluß der Nachteile erheblich verringert, die dadurch bedingt sind, daß kein äquidistanter Strömungsweg durch die betreffende Konfiguration vorhanden ist. Derartige Ausführungsformen können vertikal oder horizontal orientiert werden, wobei die einzige Begrenzung darin zu sehen ist, daß sie ausgebildet sein müssen, daß jedes Segment davon Kraftvektoren ausgesetzt werden kann, die im wesentlichen von den Außenwänden zu dem Zentrum der betreffenden Konfiguration verlaufen, damit die radiale Kompression erzielt werden kann.

Eine andere Einrichtung zur Erzielung der radialen Kompression ist eine starre Säule, die beispielsweise aus einer Stahlröhre besteht, die mit einer Auskleidung aus deformierbarem Material wie Polytetrafluoräthylen oder Polyäthylen auf der Innenseite versehen ist. Die Auskleidung ist vorzugsweise chemisch inert; und Polytetrafluoräthylen ist ein bevorzugtes Auskleidungsmaterial. Die ausgekleidete Röhre wird z. B. durch Wärme oder Druckausübung expandiert, mit einem Füllstoff gefüllt und dann kontrahiert. Diese Einschrumpfung führt zu einer radialen Kompression der Füllstoffteilchen, wobei die Stahlwand als Membran wirkt. Die Teilchen werden in die Auskleidung in einem Ausmaß eingedrückt, daß praktisch keine Wand-Kanalbildung erfolgt. Die restliche Kompression reicht aus, die beschriebene Gleichförmigkeit der Verdichtung der Teilchen bei der Druckausübung von außen zu erzielen.

Die Verwendung einer vorgespannten Säule, deren Wandstruktur aus einem relativ nicht flexiblen Material wie Stahl besteht, bedeutet einen gewissen Vorteil. Bei einer derartigen Säule ist praktisch kein Druckgradient zwischen dem Eingang und dem Außenraum der Säule vorhanden. Deshalb besteht bei höheren Betriebsdrücken nicht die Gefahr, daß die Füllung von der Unterseite der Säule her (wo bei Verwendung einer sonst nicht strukturierten, einer stärkeren Beanspruchung nicht gewachsenen Halterung der Füllung ein verhältnismäßig hoher Druckunterschied wirksam ist), zu der Oberseite der Säule bewegt wird (wo der hohe Innendruck in der Säule selbst einen wesentlich kleineren Unterschied zu dem auf der Außenseite ausgeübten Druck bei einer nicht strukturierten Packung).

Vorgespannte Säulen sind auch bei einem Niederdruckbetrieb vorteilhaft, wenn die Teilchen weich oder schwammig sind, oder wenn sie eine innere Porosität aufweisen, für die eine Vorspannung erforderlich ist, so daß eine sehr genaue Steuerung der Kraftausübung auf die Teilchen entlang der gesamten Länge der Säule erfolgen muß.

Aus den obigen Ausführungen ist herleitbar, daß bei Säulen mit größerem Durchmesser, bei denen eine Wand-Kanalbildung nicht von besonderer Bedeutung ist, die beschriebene metallische Säule vorteilhaft ohne ein dehnbares Material verwandt werden kann, das zur Anpassung an die Oberfläche der Teilchen der Füllung in Abhängigkeit von der entgegengesetzt gerichteten Kraft geeignet ist, die durch die Teilchen auf die Oberfläche ausgeübt wird. Diese Flexibilität verringert das Leervolumen an der Zwischenfläche zwischen der Füllung und der Metallwand der Säule. Darunter ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, daß eine Anpassung an die Unregelmäßigkeiten diverser Teilchen in der Oberfläche der Füllung erfolgen kann, und daß das Kanalvolumen zwischen der Füllung und der Innenwand beträchtlich verringert wird.

Es ist ferner möglich, Säulen aus einem polymeren Material zu expandieren, mit dem Füllmaterial zu füllen und dann wieder eine Kontraktion herbeizuführen, um einen ausreichenden radialen Druck auf die Füllung auszuüben, ohne daß ein äußerer Druck aufrechterhalten wird. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der nicht vorherbestimmbaren Bedingungen beim Transport derartiger Säulen nicht in allen Fällen zweckmäßig. Eine geringe Expansion ist vorteilhaft vor der Füllung dünnwandiger Säulen aus Kunststoff, um Ausbauchungen und sonstige Verwerfungen in der komprimierten Wand zu vermeiden, wodurch jedoch nur der Vorteil erzielt wird, daß das Füllen erleichtert wird und ein genauer anfänglicher Packungsvorgang erzielt werden kann, aber nicht eine dauerhafte Vorspannung einer Membranwand.

Es wurde festgestellt, daß diejenigen Vorteile der Erfindung, welche a) die Verringerung oder Beseitigung einer Wand- Kanalbildung und b) eine gleichförmigere Packung ermöglichen, auch eine Optimierung der Strömungsverteilung am Kopf der Säule ermöglichen. Bekannte Verfahren zur Strömungsverteilung sind wirksamer, wenn sie bei Säulen angewendet werden, die gemäß der Erfindung verwendet werden. Ferner wird durch die Erfindung die weitere Optimierung von Einrichtungen zur Strömungsverteilung realisierbar und wünschenswert, weil die Säulen nicht die Erzielung einer sehr gleichmäßigen Strömungsverteilung beeinträchtigen.

Bei bekannten Säulen kann sich die Füllung in einer derartigen mechanischen Beziehung zu der Innenwandung der Säule anordnen, daß ein bogenförmiger Widerstand gegen Kompression der Füllung in einer Richtung parallel zu den Innenwänden aufgebaut wird (Brückenbildung). Ein Vorteil der Erfindung ist in der Vermeidung eines derartigen Widerstands gegen Kompression zu sehen. Es ist jedoch zu beachten, daß durch eine radiale Kompression ein verbessertes Überbrückungsverhalten erzielt werden kann, wenn vertikale Teilbereiche der Füllung durch Brücken isoliert werden, die relativ nahe zueinander liegen. Wenn die Brücken sehr nahe zueinander gebracht werden, ergibt sich eine verbesserte chromatographische Säule, die erfolgreich bei höherem Druck betrieben werden kann als eine Säule, die dieselbe Füllung enthält, aber nach bekannten Verfahren betrieben wird. Dies ist deshalb der Fall, weil jede Brücke die darunterliegenden Teilchen gegen den Druck abschirmt, der nach oben auf die Brücke ausgeübt wird.

Der größte Vorteil der erhöhten Brückenhäufigkeit ergibt sich bei der Verwendung von relativ weichen komprimierbaren Füllmaterialien wie verhältnismäßig großporige, leicht vernetzte polymere Materialien. Vorteile werden auch mit etwas kleinerporigen, stärker vernetzten Materialien dieser Art erzielt. Ein etwas geringerer Vorteil wird bei weniger komprimierbaren Materialien erzielt. Von der erhöhten Brückenbildung wird nicht angenommen, daß durch diese ein hauptsächlicher Beitrag zu der verbesserten Betriebsweise von Füllstoffmaterialien wie Aluminiumoxid und Silicagel bewirkt wird. Die verbesserte Arbeitsweise derartiger Füllmaterialien beruht vermutlich auf anderen Faktoren der beschriebenen Art.

Bei Aufbau eines Gasdrucks in der Säule kann es wünschenswert sein, eine gasdurchlässige Schicht auf der Innenwand der Säule vorzusehen. Es sind zahlreiche polymere Vorzugsmaterialien bekannt, die eine besonders geringe Durchlässigkeit für Gase besitzen. Ferner können Metallfolien zwischen oder in Verbindung mit einem Kunststoffüberzug oder statt dessen verwandt werden.

Zusammenfassend sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung in der Verwendung einer chromatographischen Säule zu sehen, deren Packungs- Wirkungsgrad verbessert und genauer reduzierbar ist, sowie in einer besseren Gleichförmigkeit der Arbeitsweise der Säule sowohl bei Säulen gleicher Art als auch während der gesamten Nutzungsdauer einer bestimmten Säule.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1-9 Schnittansichten, welche die Herstellung einer Säule betreffen,

Fig. 10-13 schematische Schnittansichten zur Erläuterung der Herstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Säule,

Fig. 14a und 14b ein Ausführungsbeispiel für unterschiedliche Formen von Säulen und

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine zylindrische Säule, für die eine mechanisch betätigbare Kompressionseinrichtung vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Röhre 30 aus Polytetrafluoräthylen, die eine Wandstärke von etwa 0,8 mm, eine Länge von 305 mm und einen Durchmesser von etwa 51 mm besitzt. Fig. 2 zeigt die Anordnung dieser Röhre in einer Kammer 32. Fig. 3 zeigt die Anordnung eines porösen Stopfens 38 aus Glasfritte im unteren Ende der Röhre, der diese eng an die Kammer andrückt. In das obere Ende der Röhre ist ein Stopfen 34 eingesetzt. Durch eine Leitung 36 kann ein Gasdruck in der Röhre aufgebaut werden, um diese zu expandieren, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Durch Luftdruck kann eine Expansion von etwa 15 Volumenprozent erzielt werden.

Danach wird der Stopfen 34 entfernt. Die Röhre wird dann mit Füllmaterial gefüllt, beispielsweise mit Teilchen aus einem Silikamaterial mit einer Teilchengröße, die einer lichten Maschenweite von etwa 0,25 bis 0,074 mm entspricht. Beim Füllen der Säule ist nur ein leichtes Klopfen oder Schütteln erforderlich. Ein Stopfen 38 aus Glasfritte wird am oberen Ende der Säule eingesetzt, und Endkappen 39 werden angeschraubt, um eine Druckkammer zu bilden.

Fig. 7 dient zur Erläuterung der radialen Kompression, wenn Druckluft mit etwa 17,6 kg/cm² in die Kammer 32 durch das Ventil 40 eingelassen wird, um eine anfängliche radiale Kompression der Röhre zu bewirken. Endkappen 42 werden auf die Enden der Säule nach Entfernung aus der Druckkammer 32 aufgeschnappt, um diese während des Transports zu schützen.

Die Säule ist dann versandbereit. Wenn die Säule benutzt werden soll, werden die Endkappen entfernt, und die Säule wird in ein Druckgefäß 50 (Fig. 9) eingesetzt. Mit Hilfe von Schrauben 51, 52 werden abdichtende Endplatten angeschraubt. Diese Druckgefäße können in an sich bekannter Weise hergestellt und benutzt werden. Bei Benutzung der Säule wird ein äußerer Betriebsdruck von etwa 14 kg/cm² über dem Betriebsdruck des Verfahrens für die Flüssigkeitschromatographie aufgebaut, gemessen am Kopf der Säule.

Dasselbe Herstellungsverfahren kann bei Verwendung einer Polyäthylenfolie mittlerer Dichte durchgeführt werden. Die Folie wird auf etwa 110 erhitzt, um ihre Expansion um 15% vor der Füllung zu vereinfachen. Eine derartige Erhitzung führt zu einer engeren besseren Anpassung der Folie gegenüber der Füllung, wenn nach der Kompression die Folie abgekühlt und eingeschrumpft wird, um eine straffe Umhüllung zu bilden. Eine derartige Passung würde es ermöglichen, die Säule bei einem geringen Druck von weniger als etwa 7 kg/cm² pro cm² zu benutzen. Da sich jedoch bei der Lagerung die Packung der Füllung etwas auflockert, ist eine erneute Druckausübung für die dargestellte Konstruktion erforderlich.

Fig. 10 zeigt eine Stahlröhre 60 (aus 316-rostfreiem Stahl) mit einer Wandstärke von 2,0 mm und einem Innendurchmesser von etwa 6,4 mm. Die Röhre wird in einem in Fig. 11 schematisch dargestellten Wärmetauscher 61 angeordnet und auf etwa 85°C erhitzt. Gleichzeitig wird eine Aufschlämmung von Silikateilchen mit 10 Micron durch die Säule geleitet, um das Füllmaterial mit dem bekannten Aufschlämmverfahren abzusetzen. Durch die Kombination der unter Druck stehenden Aufschlämmung und die Erhitzung der Röhre wird die Röhre während des Füllvorgangs auf einen Durchmesser d₂ expandiert, wie in Fig. 11 angedeutet ist.

Wenn die Röhre auf Raumtemperatur abgekühlt wird, wird die Füllung in radialer Richtung zusammengedrückt, so daß sich die in Fig. 12 dargestellte Ausbildung ergibt. Wenn eine Wand-Kanalbildung verringert oder vermieden werden soll, ist es zweckmäßig, eine Metallröhre 62 zu verwenden, deren Wand 64 mit einer Polytetrafluoräthylenschicht 66 mit etwa 0,025 mm Dicke überzogen wird, die dehnbar bei der radialen Zusammendrückung ist, so daß eine Anpassung an die Außenform des Füllmaterials 69 entlang der Zwischenfläche 68 erfolgt, um die nachteilige Wand-Kanalbildung zu vermeiden.

Die in Verbindung mit den Fig. 10-13 beschriebenen Säulen können in üblicher Weise mit Endfittings versehen werden und können nach dem Versand im vorkomprimierten Zustand direkt verwandt werden. Die radiale Kompression dieser Säulen ist dauerhaft, so daß normalerweise keine weitere Kompression erforderlich ist, solange das Füllmaterial nicht ausgewechselt wird.

Zur Erzielung der erforderlichen radialen Kompression können eine Anzahl einfacher mechanischer Einrichtungen verwandt werden. Diese Einrichtungen werden zweckmäßigerweise derart konstruiert, daß sie den Querschnitt der Säule entlang dessen ganzer Länge verringern, also von dem Einlaßfitting zu dem Auslaßfitting. Das Einschrumpfen einer erhitzten Röhre kann als Beispiel einer derartigen mechanischen Einrichtung angesehen werden, bei der die Röhre selbst die Kompressionseinrichtung darstellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen finden Röhren mit flexiblen Wänden aus Folien oder Kunststoffschichten Verwendung, die beispielsweise von einem kreisförmigen zu einem nicht kreisförmigen Querschnitt durch eine äußere Einrichtung in der Form von Nocken oder dergleichen Einrichtungen deformiert werden, gegen die Außenwand derart gedrückt werden, daß der Querschnitt der Röhre verändert wird. Eine Verringerung der Querschnittsfläche von nur 2-5% reicht bei gut gepackten Säulen im allgemeinen aus, während Querschnittsverringerungen von mehr als 10% nur selten benötigt werden.

Fig. 15 zeigt eine Säule mit einer derartigen mechanischen Kompressionseinrichtung. Die Säule 80 besteht aus einer Röhre aus Polytetrafluoräthylen mit einer Wanddicke von 0,030-mil. Es sind 4 Nocken 82 entlang der Außenseite angeordnet, die mit ausgezogenen Linien in der Lage dargestellt sind, in der die Nocken nicht an der Außenwand 84 angreifen. Diese Nocken erstrecken sich entlang der gesamten Länge der flexiblen Säulenwand 81. Wenn die radiale Kompression erfolgen soll, werden die Nocken in die in gestrichelten Linien dargestellte Lage gedreht, so daß die Füllung 86 in dem gewünschten Ausmaß in radialer Richtung komprimiert wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausbildung einer Oberfläche aus dehnbarem Kunststoffmaterial an der Zwischenfläche zwischen der Innenwand der Säule und der Füllung vorteilhaft.

Mechanische Kompressionseinrichtungen der beschriebenen Art können in an sich beliebiger Weise ausgebildet werden, durch die eine schnelle radiale Kompression bewirkt werden kann. Im allgemeinen ist es jedoch wünschenswert, daß mindestens an zwei oder drei unterschiedlichen Stellen ein Druck auf die Säule ausgeübt wird, obwohl bei kurzen Säulen bereits eine Druckstelle ausreichend sein kann.

Die in Fig. 15 angedeuteten Vektoren dienen zur Erläuterung der angestrebten radialen Kompression. Obwohl die von den Druckstellen ausgehenden Vektoren nicht genau radial verlaufen, ergibt sich offensichtlich eine effektive radiale Kompression.

Zur Ausübung einer radialen Kompression kann die Füllung beispielsweise durch einen Mantel umgeben werden, in die eine Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie beispielsweise Woodmetall eingegossen wird und unter Druckausübung abgekühlt und verfestigt wird. Metalle werden vorgezogen, die sich beim Abkühlen ausdehnen. Wenn eine erneute Druckausübung benötigt wird, beispielsweise nach dem Auswechseln oder dem Nachfüllen von Füllmaterial, kann die Legierung erneut geschmolzen und unter Druck ausgekühlt werden.

Ferner ist es möglich, eine Drahtwendel oder eine wendelförmige Rohrleitung oder auch Ringe um die Säule anzuordnen und thermische, pneumatische oder mechanische Einrichtungen zu verwenden, um deren Durchmesser zu verringern und eine radiale Kompression auf die Säule auszuüben.

Wie bereits erwähnt wurde, kann auch eine verbesserte Strömungsverteilung erzielt werden, wenn ein geeigneter Strömungsverteiler am Kolonneneingang verwandt wird, da eine derartige Strömungsverteilung entlang der Länge derartig komprimierter Säulen zuverlässig aufrechterhalten werden kann.

Im allgemeinen ist es besonders vorteilhaft, daß eine Kompression der Säule vor deren Benetzung erfolgt, also vor dem Beginn der Flüssigkeitschromatographie. Wenn vorher komprimierte Säulen Verwendung finden, die beispielsweise eine Wand aus Polytetrafluoräthylen besitzen, können sich nach einer gewissen Lagerzeit Relaxationseffekte bemerkbar machen. Deshalb ist eine erneute Kompression vor einer Benetzung vorteilhaft, um die Kompression während der Benutzung der Säule beizubehalten.

Unter der Bezeichnung "Membran" ist bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Säulenwandabschnitt zu verstehen, der bewegt werden kann, um Kräfte auf die Füllung in der Säule auszuüben. Viele komplexe Strukturen können zur Erzielung dieses Ergebnisses verwandt werden. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, die gesamte Säulenwand zu bewegen, da es oft ausreicht, einen Druck entlang einer Längslinie der Säule auszuüben. Es ist ferner möglich, die Kompression durch Druckausübung an einer Anzahl von Stellen zu bewirken, die entlang der Säulenoberfläche verteilt sind. Wände, die im allgemeinen eine Kompression dieser Art ermöglichen, werden deshalb als Membran bezeichnet. Derartige Wände können Innenwände sein, indem sie beispielsweise im Zentrum der Säule liegen und eine Bewegung in Richtung auf die Außenwand der Säule ermöglichen. Normalerweise ist es jedoch wünschenswert, eine der relativ einfachen beschriebenen Strukturen zu verwenden.

Eine andere Möglichkeit zur Ausübung einer radialen Kompressionskraft besteht darin, eine ausgewuchtete Säule zu verwenden, die mit hoher Drehzahl um ihre Achse gedreht wird, so daß Zentrifugalkräfte auf die Teilchen der Füllung in Richtung auf die Wand der Säule ausgeübt werden. Dann kann ein in axialer Richtung angeordnete mechanische oder hydraulische Mitnehmereinrichtung vorgesehen werden, die sich in dem Ausmaß expandiert, das zum Ausfüllen irgendeines Zwischenraums erforderlich ist, der durch nach außen bewegte Teilchen verursacht wurde. Eine derartige Einrichtung ist als ein mechanisches Äquivalent anzusehen, weil dabei eine radiale Kompression verwendet wird und eine Verringerung des effektiven Querschnitts der Füllung. Die primären Kräfte sind dabei zwar nach außen gerichtet, aber durch die Zentrifugalkräfte würde dabei im Ergebnis eine radiale Kompression bewirkt werden.

In einem derartigen Fall ist es deshalb erforderlich, eine Zusatzeinrichtung der erwähnten Art zu verwenden, um das innere Leervolumen auszufüllen. Durch eine derartige Zusatzeinrichtung wird deshalb die Ausbildung eines zentralen Leerraums vermieden, der durch eine Bewegung der Teilchen radial nach außen verursacht wird.

Ferner kann eine Säule in Form einer Ringröhre konstruiert werden. Dann könnte Druck nicht nur von inneren und von äußeren zylindrischen Wänden ausgeübt werden, sondern die Wände könnten auch dazu verwandt werden, die Wärmeübertragung in dem Gerät zu verbessern.

Fig. 14a zeigt ferner eine andere Ausführungsform einer chromatographischen Säule. Auch bei dieser in Fig. 14a dargestellten konischen Konfiguration kann eine geeignete radiale Kompression der Füllung erfolgen. Entsprechendes gilt auch für die sinusförmig gewundene Säule in Fig. 14b, die bei Verwendung bekannter Füllverfahren nicht zuverlässig gleichmäßig verdichtet werden könnte.

Entsprechend den obigen Ausführungen bedeutet deshalb die Bezeichnung "radiale Kompression", daß die Kompressionskräfte vorherrschend in einer Richtung ausgerichtet sind, die senkrecht zu der Flüssigkeitsströmung durch die Säule verläuft, so daß bei einer üblichen Ausbildung einer zylindrischen Säule die Kräfte zu dem Zentrum des Zylinders gerichtet sind.

Claims (1)

1. Verwendung einer mit einem teilchenförmigen, porösen Packungsmaterial gefüllten, länglichen Säule, deren Wand (30; 60) derart beweglich ausgebildet ist, daß durch sie das Packungsmaterial in radialer Richtung komprimierbar ist, wobei die Säule an den Enden jeweils einen porösen Stopfen (38) aufweist, zur Flüssigkeitschromatographie.